ELETROMAG - CAP 4

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CONCEITOS TEÓRICOS E EXERCÍCIOS PROPOSTOS DE ELETROMAGNETISMO
 
 
CCaappííttuulloo IIVV:: EENNEERRGGIIAA EE PPOOTTEENNCCIIAALL 21 
 
Capítulo IV 
 
ENERGIA E POTENCIAL 
 
4.1 – ENERGIA (TRABALHO) PARA MOVER UMA CARGA PONTUAL EM UM 
CAMPO ELÉTRICO 
 
Observando a figura, e adotando La como um vetor unitário na direção de Ld , tem-se: ( ) ( ) LdFdLaFLdaaFLdFLdFdW ...... ELELLEEaplicada L −=−=−=−== 
 
Substituindo EQFE = , chega-se a: 
LdEQdW .−= 
 
Integrando, obtém-se o trabalho (energia) necessário para mover uma carga Q desde o início (ponto 
B) até o final (ponto A) de uma trajetória, sob a ação do campo elétrico E , dado por: 
 
LdEQW .
)A(Final
)B(Início
∫−= 
 
onde ∫ = 0LdE. , pois o trabalho do campo eletrostático 
depende apenas das posições inicial e final da trajetória. 
 
Nota: Na eletrostática, o campo elétrico é conservativo. 
 
4.2 – DEFINIÇÃO DE DIFERENÇA DE POTENCIAL (VAB) E POTENCIAL (V) 
 
A diferença de potencial VAB entre 2 pontos A e B é definida como sendo o trabalho necessário 
para movimentar uma carga pontual unitária positiva desde B (tomado como referência) até A. 
 
Q
WVAB = ⇒ ∫−=
A
BAB LdEV . (FÓRMULA GERAL) 
 
Como o campo elétrico E é conservativo (na eletrostática), tem-se, para 3 
pontos A, B e C: 
VAB = VAC – VBC 
 
Os potenciais “absolutos” VA e VB são obtidos adotando-se uma mesma 
referência zero de potencial. Se, por exemplo, VC = 0, pode-se escrever VAB = VA – VB 
 
4.3 – O POTENCIAL DE UMA CARGA PONTUAL 
 
Supondo-se a carga na origem, tem-se, aplicando a fórmula geral: 
A
B
A r
AB r r2B r
0
QV E dL a dr a
4 r
. .= − = −
piε
∫ ∫ 
 
AB A B
0 A B
Q 1 1V V V
4 r r
 
= − = − 
piε  
 
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Nota
RESULTADO POSITIVO (PERDE ENERGIA)nullB<AnullnullRESULTADO NEGATIVO (GANHA ENERGIA)nullB>A
WALTER JR
Nota
(+) B<A (POTENCIAL EM B MENOR QUE A)nullnull(-) B>A (POTENCIAL EM B MAIOR QUE A)
WALTER JR
Nota
Accepted definida por WALTER JR
WALTER JR
Nota
Completed definida por WALTER JR
WALTER JR
Nota
Completed definida por WALTER JR
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Realce
WALTER JR
Nota
VA > VBnull(PRESSUPOSTO)nullnullSE DER POSITIVO = PRESSUPOSTO CORRETO
WALTER JR
Nota
Completed definida por WALTER JR
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Se B → ∞ ⇒ VB → 0 ⇒ A
0 A
QV
4 r
=
piε
 (potencial absoluto) 
 
Escrevendo de forma genérica, o potencial absoluto devido a uma carga 
pontual Q fora da origem é: 
 
0
QV
4 R
=
piε
 
 
sendo R a distância da carga pontual Q ao ponto desejado. 
 
 
4.4 – O POTENCIAL DE UM SISTEMA DE CARGAS DISTRIBUÍDAS 
 
Para uma carga distribuída, com referência zero no infinito: 
 
0
dQ
4 RV piε= ∫ 
 
onde: dQ = ρL dL= ρsds = ρvdv, dependendo da configuração 
de cargas, 
rrRR ′−== = distância (escalar) de dQ ao ponto 
fixo P onde se quer obter V 
 
 
4.4.1 – VAB de uma reta ∞∞∞∞ com ρρρρL constante 
 
Partindo de ∫−= ABAB LdEV . , obtemos: 
A
B
L
AB
0
V a d a
2
.
ρ
ρ ρρ
ρ
= − ρ
piε ρ∫
 
 
L B
AB
0 A
V ln
2
ρ ρ
=
piε ρ
 
 
 
 
4.4.2 – VAB de um plano ∞∞∞∞ com ρρρρs constante 
 
Partindo de ∫−= ABAB LdEV . , obtemos: 
A
B
z s
AB z zz 0
V a dz a
2
.
ρ
= −
ε∫
 
 
( )sAB B A
0
V z z
2
ρ
= −
ε
 
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4.5 – GRADIENTE DO POTENCIAL ( V∇ ) 
 
O gradiente de uma função escalar (ex. V) é 
definido matematicamente por: 
 
 NadN
dVV =∇
 (resultado = vetor) 
 
onde dV, dN e Na
�
 são mostrados na figura. 
GaGa
cosdL
dV
a
dN
dVV NNN
�
==
θ
==∇ 
 
Daí, dVcosGdL =θ ⇒ dVLdG =•
��
 
onde: 
Nzzyyxx aGaGaGaGG =++=
���
�
 
Lzyx adLadzadyadxLd =++= 
dz
z
Vdy
y
Vdx
x
VdV
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
= 
sendo: 
Ld
�
 = vetor comprimento diferencial medido numa direção qualquer, 
dN = dLcosθ = menor distância entre as 2 superfícies equipotenciais V1 e V2. 
 
Assim, obtemos a expressão do gradiente em coordenadas cartesianas: 
zyx a
z
V
a
y
V
a
x
VVG ���
��
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
=∇=
 
 
Propriedades do gradiente de uma função escalar V: 
 
a) V∇ é normal a V 
b) V∇ aponta no sentido do crescimento de V 
 
Logo V∇ é um vetor que dá a máxima variação no espaço de uma quantidade escalar (módulo do 
vetor) e a direção em que este máximo ocorre (sentido do vetor). 
 
Se V = função potencial elétrico, então: 
 
VE ∇−=
 ( E está apontado no sentido decrescente de V). 
 
 
Exemplo: Utilizando gradiente, determinar a expressão de E para uma carga pontual na origem. 
 
Solução: O potencial de uma carga pontual na origem (no vácuo) é: 
0
Q
4 r
=
piε
V 
 Tomando o gradiente de V, em coordenadas esféricas, sabendo-se que V = f(r): 
e fazendo VE ∇−= ⇒ r r2
0
V Q 1E a a
r 4 r
∂ − 
= − = −  ∂ piε  
�
� �
 ⇒ r2
0
QE a
4 r
=
piε
�
�
 
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4.6 – O DIPOLO ELÉTRICO 
 
É um sistema com 2 cargas pontuais iguais e simétricas (figura c) bem próximas tal que d < < r, 
sendo d a distância (separação) entre as cargas e r a distância do centro do dipolo a um ponto P 
desejado. 
 
 
Cálculo do potencial no ponto P devido ao dipolo na origem: 
 
P
0 1 0 2
Q QV
4 r 4 r
+ −
= +
piε piε
 
P
0 1 2
Q 1 1V
4 r r
 
= − 
piε  
 
2 1
P
0 1 2
r rQV
4 r r
 
−
=  
piε  
 
 
Sendo d << r, fazemos θ≅− cosdrr 12 e 221 rrr ≅ . Daí, 
p 2
0
Qd cosV 
4 r
θ
=
piε
 
 
Campo elétrico no ponto P devido ao dipolo elétrico na origem: 
 
( )r3
0
QdE 2cos a sen a
4 r θ
= θ + θ
piε
 (obtido de VE ∇−= ) 
 
Definindo momento de dipolo elétrico como dQp = , onde d é o vetor cuja magnitude é a 
distância entre as cargas do dipolo e cuja direção (e sentido) é de –Q para +Q: 
 
r
p 2
0
p a
V
4 r
.
=
piε
 
 
Notas: 
a) Com o aumento da distância, o potencial e o campo elétrico 
caem mais rápidos para o dipolo elétrico do que para a carga 
pontual. 
b) Para o dipolo elétrico fora da origem, o potencial é dado por: 
R
p 2
0
p a
V
4 R
.
=
piε
 
 
onde: 
Ra = versor orientado do centro do dipolo ao ponto desejado; 
R = distância do centro do dipolo ao ponto desejado. 
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4.7 – ENERGIA NO CAMPO ELETROSTÁTICO 
 
4.7.1 – Energia (trabalho) para uma distribuição discreta de cargas 
 
 
 
WE = trabalho total para trazer 3 cargas Q1, Q2, Q3 do ∞ e fixá-las nos pontos 1, 2, 3, nesta ordem: 
 
WE =W1 + W2 + W3 
WE = 0 + Q2 V2,1 + Q3 V3,1 + Q3 V3,2 (i) 
 
Nota: V2,1 = potencial no ponto 2 devido à carga Q1 no ponto 1 (V2,1 ≠ V21) 
 
Se as 3 cargas forem fixadas na ordem inversa, isto é, fixandoQ3, Q2, Q1, nos pontos 3, 2, 1, temos: 
WE = W3’ + W2’ + W1’ 
WE = 0 + Q2 V2,3 + Q1 V1,2 + Q1 V1,3 (ii) 
 
(i) + (ii): 2WE = Q1 V1 + Q2 V2 + Q3 V3 
( )332211E VQVQVQ2
1W ++= 
 
Para N cargas: ∑
=
=
N
1i
iiE VQ2
1W
 [J] 
 
 
4.7.2 – Energia (trabalho) para uma distribuição contínua de carga 
 
Para uma região com distribuição contínua de carga, substituímos Qi da fórmula acima pela carga 
diferencial dQ = ρvdv e a somatória se transforma numa integral em todo o volume de cargas. 
∫ρ=
vol
vE Vdv2
1W
 [J] 
 
Pode-se demonstrar que o trabalho pode ser também expresso em função de D e/ou E como: 
 
dvED
2
1W
vol
E ∫= • ou 
2
E 0
vol
1W E dv
2
= ε∫ ou 
2
E
0vol
1 DW dv
2
=
ε∫ 
 
 
Nota: A densidade de energia do campo elétrico no vácuo pode ser obtida pelas expressões: 
2
2E
0
0
dW 1 1 1 DD E E
dv 2 2 2
•= = ε =
ε
 [J/m3] 
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Ex. 1 Calcular a energia WE armazenada num pedaço de cabo coaxial de comprimento L e 
condutores interno e externo de raios a e b, respectivamente, supondo que a densidade 
superficial de carga uniforme no condutor interno é igual a ρρρρs. 
 
Supondo uma gaussiana cilíndrica no interior do dielétrico (vácuo) de raio a < ρ < b, e 
aplicando a lei de Gauss ( int
S
QSdD =∫ • ), obtemos: 
ρ
ρ
=⇒piρ=piρ aa ss DL2L2D 
Substituindo na equação de energia obtida acima: 
( )2L 22 s
E
0 0vol z 0 0
/1 D 1W dv d d dz
2 2
pi
= φ= ρ=
ρ ρ
= = ρ ρ φ
ε ε∫ ∫ ∫ ∫
b
a
a
 
[ ]
2 2
s
E
0
1W 2 L
2
ρ
= ρ pi
ε
b
a
a ln 
 
Daí, obtemos finalmente: 
2 2
s
E
0
LW pi ρ=
ε
a bln
a
 
 
Ex. 2 Calcular a energia WE armazenada num capacitor de placas paralelas no vácuo, sendo V a 
diferença de potencial entre as placas iguais de área S e separadas por uma distância d. 
Supor o campo elétrico entre as placas uniforme desprezando os efeitos de bordas. 
 
Da equação de energia obtida acima, e sabendo que V = E d, obtemos: 
2
2 0
E 0
1 VW E dv dv
2 2 d
ε  
= ε =  
 
∫ ∫ ⇒ 
20
E
S1W V
2 d
ε
=
 
 
Tomando a expressão da capacitância do capacitor de placas 
paralelas ideal (cap. 5), teremos: 
2
E CV2
1W =
 onde 0SC
d
ε
= 
 
4.8 – EXERCÍCIOS PROPOSTOS 
 
4.1) Três cargas pontuais idênticas de carga Q são colocadas, uma a uma, nos vértices de um 
quadrado de lado a. Determinar a energia armazenada no sistema após todas as cargas serem 
posicionadas. 
Resposta: ( )24
8
QW
o
2
E +⋅
piε
=
a
 [J]. 
 
4.2) Seja uma carga distribuída ao longo da porção |z| < 1 m do eixo z, com densidade linear de 
carga ρL = kz [ηC/m]. Determinar: 
a) O potencial em um ponto qualquer sobre o plano z = 0; 
b) O potencial em um ponto do eixo z situado a uma altura h = 2 m do plano z = 0. 
 
Respostas: a) VA = 0; b) VB = 1,775 [kV]. 
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4.3) Um quadrado de vértices A(0,0,0), B(0,1,0), C(1,1,0) e D(1,0,0), possui uma distribuição 
linear uniforme de carga com densidade ρL = 10 [pC/m] ao longo do lado AB, uma carga 
pontual Q1 = 1 [pC] no vértice C, uma carga pontual Q2 = -10 [pC] no vértice D. Determinar, 
no centro P do quadrado: 
a) O potencial elétrico devido a cada uma das três cargas; 
b) O potencial elétrico total devido às três cargas. 
 
Respostas: a) VP1 = 0,0127 [V], VP2 = – 0,127 [V], VL = 0,1584 [V]; b) VPT = 0,044 [V]. 
 
4.4) Um campo elétrico é dado em coordenadas cilíndricas por: � �E a V
m
=




100
2ρ ρ
 
Conhecidos os pontos A(3,0,4), B(5,13,0) e C(15,6,8), expressos em coordenadas cartesianas, 
determinar: 
 a) A diferença de potencial VAB; 
 b) O potencial VA se a referência zero de potencial está no ponto B; 
 c) O potencial VA se a referência zero de potencial está no ponto C; 
 d) O potencial VA se a referência zero de potencial está no infinito. 
 
Respostas: a) VAB = 26,15 [V]; b) VA = 26,15 [V]; c) VA = 27,14 [V]; d) VA = 33,33 [V]. 
 
4.5) Uma superfície esférica no espaço livre, definida por r = 4 cm, contém uma densidade 
superficial de carga de 20 [µC/m2]. Determinar o valor do raio rA,, em centímetros, se a região 
compreendida entre as esferas de raios r = 6 cm e r = rA contém exatamente 1 mJ de energia. 
 
Resposta: rA = 6,54 [cm]. 
 
4.6) O campo potencial no vácuo é expresso por V = k/ρ. 
a) Determinar a quantidade de carga na região cilíndrica a < ρ < b e 0 < z < 1. 
b) Determinar a energia armazenada na região cilíndrica a < ρ < b e 0 < z < 1. 
 
Respostas: a) 





−⋅=
ab
11k2Q opiε ; b) 






−⋅=
22
2
oE
11k
2
1W
ba
piε . 
4.7) Uma linha de cargas uniforme de 2 m de comprimento com carga total de 3 nC está situada 
sobre o eixo z com o ponto central da linha localizado a +2 m da origem. Num ponto P sobre 
o eixo x, distante +2 m da origem, pede-se: 
a) Determinar o potencial elétrico devido a linha de cargas; 
b) Determinar o potencial elétrico se a carga total for agora concentrada no ponto central da 
linha; 
c) Calcular e comentar sobre a diferença percentual entre os dois valores de potencial obtidos. 
 
Respostas: a) VPL = 9,63 V; 
b) VPQ = 9,55 V; 
c) (VPQ – VPL)x100%/VPQ = -0,83 % 
Uma carga concentrada produz um potencial menor do que esta mesma carga 
distribuída, caso sejam iguais as distâncias dos centros destas cargas ao ponto 
desejado. 
 
4.8) Uma carga Q0 = +10 µC está colocada no centro de um quadrado de lado 1 m e vértices A, B, 
C, D. Supondo o meio o vácuo, determinar o trabalho necessário para: 
a) Mover a carga QA = +10 µC do infinito até fixá-la no vértice A do quadrado; 
b) Mover também a carga QB = –20 µC do infinito até fixá-la no vértice B do quadrado; 
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c) Finalmente mover também a carga QC = +30 µC do infinito até fixá-la no vértice C do 
quadrado. 
 
Respostas: a) WA = 1,271 J; b) WB = –4,340 J; c) WC = 0,327 J. 
 
4.9) a) Determinar o potencial VP no ponto P(2, 0, 0) devido a uma carga total Q = 2 nC 
distribuída uniformemente ao longo do eixo y, de y = 0 até y = 2 m. 
b) Supondo que a mesma carga total Q = 2 nC seja agora concentrada num ponto, determinar 
em que posição esta deverá ser colocada ao longo do eixo y para produzir o mesmo 
potencial VP no ponto P(2, 0, 0) obtido no item (a). 
 
Respostas: a) VP = 7,9324 V; 
b) y = ± 1,072 m. 
 
4.10) a) Determinar a fórmula para o cálculo da diferença de potencial entre 2 pontos quaisquer A 
e B devido a uma carga pontual Q, no vácuo. (Supor a carga na origem.) 
 b) Determinar a fórmula para o cálculo da diferença de potencial entre 2 pontos quaisquer A 
e B devido a uma carga distribuída uniformemente numa linha infinita com densidade ρL, 
no vácuo. 
 c) Uma carga com densidade linear constante ρL está distribuída sobre todo o eixo z e uma 
carga pontual Q está localizada no ponto (1, 0, 0). Sejam os pontos A(4, 0, 0), B(5, 0, 0) 
e C(8, 0, 0). Se VAB = VBC = 1 volt, determinar os valores numérico de ρL e de Q. O 
meio é o vácuo. 
 
Respostas: a) 





−
piε
=
BAo r
1
r
1
4
Q
ABV ; 
b) 
A
B
o
L ln
2 ρ
ρ
piε
ρ
=ABV ; 
c) 81,86L −=ρ pC/m; Q = 1800,04 pC 
 
4.11) Sabendo-se que ( )222 yxln4z20yx2 +−+=V V, no vácuo, determine o valor das seguintesgrandezas no ponto P(6; -2,5; 3): 
a) V; b) E ; c) D ; d) ρv. 
 
Respostas: a) 135P −=V [V]; b) zyxP a20a5,72a1,61E −−= [V/m]; 
c) zyxP a177a642a541D −−= [pC/m2]; d) 5,88v =ρ [pC/m3]. 
 
4.12) Um dipolo z1 a20p = nC.m, localiza-se na origem, no vácuo, e um segundo dipolo 
z2 a50p −= nC.m localiza-se em (0, 0, 10). 
Determine V e E no ponto médio entre os dipolos. 
 
Resposta: 2,25M =V [V]; zM a32,4E −= [V/m].